[发明专利]一种提高回旋加速器中心区聚焦力的螺旋型电极结构

说明书

本发明公开了一种提高回旋加速器中心区聚焦力的螺旋型电极结构，该电极结构在加速器大半径位置为直边扇电极结构，在加速器中心区小半径位置为带特定螺旋角的电极结构；该带特定螺旋角的电极结构180度对称布设在加速器内、分别与两侧的带特定螺旋角的磁铁构成加速间隙，形成含有特定螺旋角的中心区电磁场分布，从而增强中心区处的电磁场聚焦力，增强束流强度。通过设置中心区带有螺旋角的电极结构，使得粒子从第一圈穿越开始，到第二圈穿越加速间隙，所走过的角度大于360°，相对传统方案来说，相同的时间粒子需要运动更多的路程，由于粒子第一圈与第二圈穿越螺旋电场的方位角不同，为加速器中心区在等时性条件下设计较大的场指数n提供了空间。

技术领域

本发明属于小型回旋加速器技术领域，尤其涉及一种提高回旋加速器中心区聚焦力的螺旋型电极结构。

背景技术

强流质子束在基础科研、国防建设、核能开发等诸多方面都发挥着重要的作用。回旋加速器的束流流强的重要限制因素之一是中心区轴向聚焦力的大小。流强I与轴向聚焦力ν_z的平方呈正比，即：目前紧凑型回旋加速器的中心区轴向聚焦ν_z一般在0.1～0.15的范围内，流强上限约1mA左右。轴向聚焦vz的表达式如下：

其中n为场指数，F为磁场调变度，为磁铁螺旋角。

从以上公式看出，提高中心区轴向聚焦力的难点在于，公式中用于提高轴向聚焦力的3个参数n、F、调整空间有限。第一，受中心区空间条件的限制(中心区直径一般在20厘米左右)，中心区磁场调变度F提高受限，所述调变度描述了磁场在角度方向的变化幅度大小，其中B²为磁场平方的平均值，B²为平均磁场的平方；第二、传统的中心区磁极结构为直边扇磁极结构，带螺旋角的磁铁通常用于中高能回旋加速器中、提高磁场大半径处的轴向聚焦力；第三，n为场指数描述了平均磁场的径向梯度，表示为由于大半径的平均磁场收到等时性限制，基本不变，如要使得n提高，就要提高加速器小半径中心区的磁场，虽然加速器小半径中心区的磁场强度能够提高，但是磁场强度提高幅度有限。这是由于过高的磁场破坏了加速粒子的等时性，所述等时性就是：从第一圈到第n圈，粒子经过同一个加速间隙的时间是相同的(即粒子的回旋周期相等)，如果中心区磁场强度增强了，从等时变为不等时，粒子就会提前到达加速间隙，而此时加速间隙的电压还没还没有到达峰值，而我们希望在电压最高的时候加速粒子。由于粒子到达加速间隙时不是峰值电压，就会影响电极对于粒子的加速。因此，为了保持粒子加速的等时性，就要求中心区的磁场维持不变，中心区磁场不变，n也就不能提高。

总之，提高加速器中心区聚焦力的难点在于：中心区的物理空间紧张，调变度F很小；中心区磁场增强幅度有限，导致n不能增加，因为磁场增强了就会破坏加速粒子的等时性条件；带螺旋角的磁铁通常用于中高能回旋加速器中、提高磁场大半径处的轴向聚焦力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种提高回旋加速器中心区聚焦力的螺旋型电极结构，目的在于解决现有技术中心区的轴向聚焦力难以提高的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种提高回旋加速器中心区聚焦力的螺旋型电极结构，其特点是：该电极结构在加速器大半径位置为直边扇电极结构，在加速器中心区小半径位置为带特定螺旋角的电极结构；该带特定螺旋角的电极结构180度对称布设在加速器内、分别与两侧的带特定螺旋角的磁铁构成加速间隙，形成含有特定螺旋角的中心区电磁场分布，从而增强中心区处的电磁场聚焦力，增强束流强度。

所述加速器中心区小半径位置为带特定螺旋角的电极结构，粒子从第一圈穿越同一个加速间隙开始，到第二圈穿越同一个加速间隙，所走过的角度大于360°，设方位角变化量为Δθ，所以Δφ＝0等效于粒子在加速器中旋转360°+Δθ，相较于中心区直边扇电极结构，同样经过h个高频周期的时间，粒子在加速器中旋转的角度增大，即角速度增大。

所述加速器中心区小半径位置带特定螺旋角的电极结构的螺旋角为50°到70°。